纖維素酶提高馬鈴薯渣可溶性膳食纖維得率的工藝條件研究

莎日娜，韓育梅，周 霞，楊 鈉

(內蒙古農業大學食品科學與工程學院，內蒙古呼和浩特 010018)

纖維素酶提高馬鈴薯渣可溶性膳食纖維得率的工藝條件研究

莎日娜，韓育梅*，周 霞，楊 鈉

(內蒙古農業大學食品科學與工程學院，內蒙古呼和浩特 010018)

以馬鈴薯干渣為原料，采用α-淀粉酶和蛋白酶提取膳食纖維后，用纖維素酶對其進行改性，研究酶添加量、pH、酶解溫度和酶解時間對馬鈴薯渣可溶性膳食纖維得率的影響。在此基礎上用正交實驗優化酶反應的工藝條件。結果表明:酶添加量25 U/g，pH5，酶解溫度45 ℃，酶解2.5 h為最佳反應條件。在此條件下可溶性膳食纖維得率為28.78%，而未用纖維素酶處理的得率為16.18%。通過AOAC 993.19酶-重量法測定馬鈴薯干渣中可溶性膳食纖維含量由7.01%提高至13.13%。

馬鈴薯渣，可溶性膳食纖維，纖維素酶，工藝

馬鈴薯渣是在馬鈴薯淀粉生產過程中的副產物，主要含有水、細胞碎片、殘余淀粉顆粒和薯皮細胞或細胞結合物。其化學成分包括淀粉、纖維素、半纖維素、果膠、游離氨基酸、寡肽、多肽和灰分[1]。膳食纖維(Dietary Fiber)是指不易被人體消化吸收，以多糖類為主的大分子物質的總稱，根據溶解性分為水溶性膳食纖維(SDF)和水不溶性膳食纖維(IDF)兩大類[2]。馬鈴薯渣中膳食纖維含量較高，約占干基的50%左右，但不可溶性膳食纖維含量較高，而可溶性膳食纖維在生理活性中能更多地發揮其代謝作用，按照常規方法提取可溶性膳食纖維含量較低[3]。目前已有研究發現通過添加纖維素酶能夠提高香菇[4]、玉米皮[5]、紅薯渣[6]、番茄皮渣[7]等可溶性膳食纖維的含量。我國是馬鈴薯生產大國，馬鈴薯渣通常都作為廢渣處理，因此，合理開發馬鈴薯渣中的膳食纖維，對馬鈴薯渣進行有效利用具有重要意義。本實驗通過添加纖維素酶對馬鈴薯渣膳食纖維進行水解，研究水解條件對可溶性膳食纖維得率的影響，優化工藝參數以提高其含量，為進一步研究開發馬鈴薯渣奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

馬鈴薯渣 呼和浩特華歐淀粉有限責任公司提供；中溫α-淀粉酶 酶活力≥3700 U/g、木瓜蛋白酶 酶活力≥50000 U/g 北京奧博星生物技術有限責任公司；纖維素酶 酶活力≥15000 U/g 國藥集團化學試劑有限公司；所用其他試劑均為分析純。

Fibertec E 膳食纖維測定儀 丹麥福斯公司；GZX-9076 MBE數顯鼓風干燥箱 上海博訊實業有限公司醫療設備廠；SHB-III循環水式真空泵 上海楚粕實驗室設備有限公司；FW100萬能破碎機 天津市泰斯特儀器有限公司；K-DY9830半自動凱氏定氮儀 北京市通潤源機電技術有限責任公司；AL204電子天平 梅特勒-托利多儀器有限公司；PB-10酸度計 賽多利斯科學儀器(北京)有限公司；HH-6數顯恒溫水浴鍋 國華電器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 可溶性膳食纖維提取工藝流程 參考文獻[8]。

可溶性膳食纖維得率(%)

總膳食纖維質量(TDF)=可溶性膳食纖維質量(SDF)+不溶性膳食纖維質量(IDF)

1.2.2 纖維素酶酶解條件單因素實驗 稱取一定量的馬鈴薯干渣，按1∶12的料液比加入蒸餾水，依次改變纖維素酶酶添加量、酶解pH、溫度和時間，研究其對可溶性膳食纖維得率的影響。

1.2.2.1 纖維素酶添加量對SDF得率的影響 固定酶解pH為5，酶解溫度50 ℃，酶解時間2 h不變，分別設定0、10、15、20、25、30 U/g不同的纖維素酶添加量，測定可溶性膳食纖維得率。

1.2.2.2 酶解溫度對SDF得率的影響 固定酶解pH5，纖維素酶添加量20 U/g，酶解時間2 h不變，分別設定40、45、50、55、60 ℃不同的酶解溫度，測定可溶性膳食纖維得率。

1.2.2.3 酶解pH對SDF得率的影響 固定酶解溫度50 ℃，纖維素酶添加量20 U/g，酶解時間2 h不變，分別設定4.0、4.5、5.0、5.5、6.0不同的酶解pH，測定可溶性膳食纖維得率。

1.2.2.4 酶解時間對SDF得率的影響 固定酶解pH為5，酶解溫度50 ℃，纖維素酶添加量20 U/g不變，分別設定0.5、1、1.5、2、2.5 h不同的酶解時間，測定可溶性膳食纖維得率。

1.2.3 纖維素酶酶解工藝優化 根據單因素實驗結果，利用SAS軟件，以可溶性膳食纖維得率作為評價指標進行四因素三水平正交實驗，確定最佳工藝參數。正交實驗因素水平設置見表1。

表1 L9(34)正交實驗設計表

1.2.4 膳食纖維含量的測定 采用AOAC 993.19酶-重量法(磷酸鹽緩沖液)測定SDF和TDF含量[9]。

2 結果與分析

2.1 纖維素酶添加量對SDF得率的影響

酶添加量對SDF得率的影響見圖1。從圖1可知，隨著酶添加量的增加，SDF得率逐漸增加，當纖維素酶添加量為25 U/g時SDF得率最高，之后SDF得率逐漸下降，其中未經纖維素酶處理的可溶性膳食纖維得率最低，為16.18%。故選取酶添加量15、20、25 U/g進行正交實驗。

圖1 纖維素酶添加量對SDF得率的影響Fig.1 The influence of cellulase amount on the yield of SDF

2.2 酶解溫度對SDF得率的影響

溫度對SDF得率的影響見圖2。從圖2可知，隨著酶解溫度的增加，SDF得率逐漸增加，當溫度為50 ℃時SDF得率最高，之后SDF得率逐漸下降。故選取45、50、55 ℃進行正交實驗。

圖2 酶解溫度對SDF得率的影響Fig.2 The influence of enzymolysis temperatureon the yield of SDF

2.3 酶解pH對SDF得率的影響

pH對SDF得率的影響見圖3。從圖3可知，隨著酶解pH的增加，SDF得率逐漸增加，當pH為5.0時SDF得率最高，之后SDF得率逐漸下降。故選取pH4.5、pH5、pH5.5進行正交實驗。

圖3 酶解pH對SDF得率的影響Fig.3 The influence of enzymolysis pH on the yield of SDF

2.4 酶解時間對SDF得率的影響

酶解時間對SDF得率的影響見圖4。從圖4可知，隨著酶解時間的增加，SDF得率逐漸增加，當酶解時間為2 h時SDF得率最高，2 h之后纖維素酶與底物基本充分反應使SDF得率上升趨勢不明顯。故選取酶解時間1.5、2、2.5 h進行正交實驗。

圖4 酶解時間對SDF得率的影響Fig.4 The influence of enzymolysis timeon the yield of SDF

2.5 正交實驗提取條件的優化

按照正交實驗設計方案進行實驗，結果如表2所示。

表2 正交實驗結果與極差分析表

根據表2、表3可知，實驗的最佳因素組合是A2B1C3D3，即:酶解pH為5，酶解溫度45 ℃，酶添加量25 U/g，酶解2.5 h，對此進行驗證實驗，可溶性膳食纖維得率為28.78%，較7號實驗得率28.74%高，從而確定A2B1C3D3為最佳酶處理條件，在此條件下通過AOAC 993.19酶-重量法測定馬鈴薯干渣中可溶性膳食纖維含量由7.01%提高至13.13%。纖維素酶酶解各因素對馬鈴薯渣中SDF得率影響的主次順序為:酶解時間(D)>酶添加量(C)>酶解pH(A)>酶解溫度(B)，其中酶解時間對SDF得率有顯著影響。

表3 正交實驗方差分析表

注:
注:F0.05(2,2)=19，F0.01(2,2)=99。

3 結論與討論

本實驗確定加入25 U/g纖維素酶，在pH5，溫度45 ℃的條件下酶解2.5 h時SDF得率最高，為28.78%。在此條件下經AOAC 993.19酶重量法測定馬鈴薯干渣可溶性膳食纖維含量為13.13%，未經纖維素酶處理的馬鈴薯干渣可溶性膳食纖維含量7.01%，表明實驗所得工藝可改善可溶性膳食纖維得率。

目前膳食纖維改性的方法主要有物理方法，化學方法和生物技術方法，杜冰等人使用雙螺桿擠壓對綠豆皮中膳食纖維進行改性，可溶性膳食纖維含量提高了4.7%[10]；李小平等使用纖維素酶提高紅薯水溶性膳食纖維含量，最佳工藝條件下SDF得率為15.33%[11]；陳菊紅通過濕法超微粉碎對馬鈴薯渣改性，其SDF含量達16.87%[12]。本實驗采用酶解法得到SDF含量為13.13%，略低于濕法超微粉碎，但相比之下采用酶解法操作過程簡單，處理量大適合批量生產，產物溫和可用于面包[13]、餅干[14]或寵物食品[15]中提高其營養價值。

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[2]劉偉，劉成梅，林向陽，等.膳食纖維的國內外研究現狀與發展趨勢[J].糧食與食品工業,2003(4):25-27.

[3]王卓，顧正彪，洪雁.不同工藝條件制備的馬鈴薯膳食纖維的物化性能比較[J].食品科學,2007,28(8):236-240.

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[10]杜冰,黃守耀,姜龍波,等. 雙螺桿擠壓對綠豆皮中膳食纖維的改性研究[J]. 食品工業科技,2012(10):170-173，176.

[11]陳菊紅. 濕法超微粉碎對馬鈴薯渣的改性及其功能特性和應用研究[D].無錫：江南大學,2008.

[12]李小平,魏朝明,張薇,等. 纖維素酶解提高紅薯水溶性膳食纖維含量的研究[J]. 食品工業科技,2011(11):198-201.

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因本刊已被《中國知網》(包括“中國知網”優先數字出版庫)獨家全文收錄，所以所付稿酬中已包含該網站及光盤應付的稿酬。

Study on production technology of raising the yield of soluble dietary fiber in potato residue with cellulase

SHA Ri-na,HAN Yu-mei*,ZHOU Xia,YANG Na

(College of Food Science and Technology,Inner Mongolia Agricultural University,Huhhot 010018,China)

Experiments were conducted to study the effect of cellulase amount,pH,enzymolysis time and temperature on the yield of soluble dietary fiber(SDF)which was modified by cellulase after the dieyary fiber pretreated by amylase and protease in the potato dry residue,on the basis of single factor experiment design orthogonal. Results indicated that optimized conditions were pH5,45 ℃,25 U/g of cellulase and reaction time of 2.5 h. The yield of SDF in potato residue has increased from 16.18% to 28.78%.The content of SDF in potato dry residue has increased from 7.01% to 13.13%.

potato residue;soluble dietary fiber;cellulose;process

2014-11-13

莎日娜(1989-)，女，碩士，研究方向：農產品加工及貯藏,E-mail:sharina0601@163.com。

*通訊作者:韓育梅(1965-)，女，博士，教授，研究方向：農產品加工及貯藏,E-mail:hanyumeim@sina.com。

內蒙古自然科學基金(2012MS1206)。

TS201.2

B

1002-0306(2015)15-0114-04

10.13386/j.issn1002-0306.2015.15.016